基于AHP法的行车冲切道路面层水毁评价模型及应用

2023-12-26杨义辉

青海交通科技 2023年1期

杨义辉

(重庆公共运输职业学院重庆 402247 )

0 引言

随着我国交通建设事业的迅猛发展,城市内涝日益严重,道路遭受着不同程度的水毁,同时由于行车的冲切作用,使得水毁加剧,每年造成巨大的经济损失,加强道路水毁的防治势在必行。众多学者对公路洪水灾害、城市道路水毁作了研究,并取得一定成果。齐洪亮等[1]从降雨量、地表切割密度、河网密度等方面对公路水毁的危险性评价进行了分级;尚高鹏等[2]结合典型工程案例,拟定了单个工点水毁评价定量指标和定性指标,并建立了分析模型;李孟芳[3]运用层次分析法与主成分分析法,构建了公路水毁风险评估模型;赵孟云[4]采用影像技术,确定水毁受灾区范围等。以上研究成果集中在对公路整体水毁的研究和评价。对于沥青路面的水毁评价,却鲜有成果,如孙建国等[5]采用模糊综合评判法对影响水损害的因素进行了分析;王高峰等[6]简述了3种室内试验方法在沥青混合料水损害评价方面的特点。

基于AHP法基本原理,考虑行车冲切作用对路面的损伤,选取相应指标,将定性描述和定量水毁强度指数相结合,构建了适用于行车冲切荷载作用下的道路面层水毁评价模型,并完成了对高新区纵五路某段路面的水毁评价。

1 AHP法基本原理及结构图

1.1 层次分析法(AHP法)原理

AHP法是一种结合运筹思想的定性与定量分析相结合的多目标决策分析方法[7],通过构造层次结构,综合各因素之间的相互影响关系及其在系统中的作用,来确定各因素的相对重要性,并在递阶层次结构内进行合成,得到决策因素对于目标重要性的总排序[8]。作为一种简单数学的工具,广泛应用于各类评价中[9]。

路面水毁所造成的路面病害,一个典型的多指标、多属性的问题 ,它不仅受制于道路分类等条件,还和交通情况、气候等方面的因素有关。结合已有研究成果,考虑行车冲切作用下面层的力学响应,暴雨对沥青路面的冲刷作用,形成有序的递阶层次结构如图1所示。

图1 行车冲切道路面层水毁层次结构图

1.2 评价因素集

在深入研究和分析的基础上,按照各因素的不同属性,根据所建立的层次结构图,将道路水毁评价因素论域U划分成三个互不相交的子因素集,即U={U1,U2,U3},U1代表道路条件,U2代表交通情况,U3代表气象条件。其中,第i个因素Ui根据第二个层次中下属因素决定,即Ui={u1j,u2j,…,uij}。3个第一层因素下共10个第二层因素,表达如下:

第一层次因素集:

U={U1,U2,U3}={道路条件,交通情况,气象条件}。

第二层次因素集:

U1={u11,u12,u13,u14}={道路分类,承载能力,路面平整度,排水及透水能力}。

U2={u21,u22,u23}={交通量统计,重载车辆情况,人类活动干扰}。

U3={u31,u32,u33}={暴雨频率,暴雨强度,降雨时长}。

1.3 评语集

用以上控制因素来计算水毁强度指数Zp,并建立水毁强度指数与水毁等级之间的对应关系。通过计算水毁强度指数Zp,根据Zp所在的区间找到对应的路面水毁等级,从而完成对行车道路面层的水毁评价。行车道路面层水毁强度指数[10]表达式为:

Zp=∑AijQij

(1)

(1)式中:Zp为水毁强度指数;Aij(i=1,2,3;j=1,2,3,4)为二级评价指标分级值;Qij(i=1,2,3;j=1,2,3,4)为二级评价指标综合权重。

沈水进[10]将暴雨型公路水毁的环境区域划分为三个等级,并给出了相应的水毁环境标准值区间,分别为:低度易发(0,0.30]、中度易发(0.30,0.60]、高度易发(0.60,1.00]。李焕强[11]根据水毁对路基的损毁程度,将水毁划分为:轻度水毁、中度水毁、较严重水毁、严重水毁。结合研究成果及专家意见,初步建立了水毁强度指数与水毁等级之间的对应关系,见表1。

表1 水毁强度指数与水毁等级对应表

2 评价模型的构建

2.1 评价标准

根据前述水毁强度指数与水毁等级,结合研究区内的评价因素和环境特征,在国内外道路水毁研究的基础上,考虑行车冲切作用,按照评价水毁等级建立水毁评价标准,如表2所示。

表2 行车冲切道路面层水毁评价标准

2.2 评价模型与实现流程

基于AHP法基本原理,并借鉴模糊综合评价法,建立因素集、评语集、权重集。区别于模糊综合评价法利用隶属度得出评价结论[8],此模型通过水毁强度指数的定量计算,转换为对行车道面层水毁等级的评价。其中,将水毁强度指数计算中的二级评价指标分级值定义为路况调查结论最多的归一化数列。该评价模型实现主流程如图2所示。

图2 行车冲切面层水毁评价模型实现流程图

3 工程应用

3.1 工程概况

所选取评价目标路段位于高新区纵五路,是轨道尖顶坡站往南的一条次干路,为双向四车道,局部地段为双向两车道,沿途两侧分布有商业、餐饮、汽修、学校以及居民区等。途径学校主要包括:重庆大学城树人小学校、重庆科学城高桥学校、重庆巴蜀科学城中学校,并与重庆大学虎溪校区相连[12]。道路交通工具有公交车、私家车、摩托车,偶有工程车辆及大货车,行人过街设施主要是红绿灯和斑马线。

3.2 路况调查

对所选取的路段,采用网络与实地相结合的方式,进行交通调查[13]。此次路况调查起点为:纵五路与松树堡路交汇红绿灯处,沿纵五路向南,途经径科尚房产、链家地产、高桥学校。调查的终点为:纵五路与重大南路交汇红绿灯处,调查路段长度为468m。路段在暴雨工况下,经行车冲切道路面层水毁实景如图3、4所示。

图3 行车冲切水毁路面积水

图4 行车冲切水毁路面裂缝

根据所构建模型的评价因素,对道路条件、交通情况、气象条件进行调查。随机选取连续30m长度作为一个调查单元,根据行车冲切道路面层水毁评价标准,共进行了15次调查填表。将出现次数最多的调查结果进行汇总,并对调查结果进行归一化处理,计算出二级评价指标分级值如表3所示。

表3 行车冲切水毁路面路况调查与二级评价指标分级值计算表

3.3 权重计算与一致性检验

根据评价指标的重要程度,基于AHP法的基本原理,运用Saaty标度法,建立第一层因素间的判断关系矩阵,并进行归一化处理,得到权向量。由于判断关系矩阵的赋值具有随机性,因此需对判断矩阵进行一致性检验以保证关系的合理性[14]。一致性检验规则为:当CR<0.1时,表明所建立判断矩阵满足一致性检验要求。第一层因素判断矩阵及归一化权向量计算如表4所示。